Οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα διασύνδεσης υψηλής φασματικής απόδοσης με πολυπλεξία μήκους κύματος και προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης

Abstract

Data rates are continuing to increase for box-to-box, rack-to-rack, board-to-board, and chip-to-chip interconnects for terabit switches and routers, multiprocessor computers and high-end servers. The increase in individual line rates and bandwidth drives the need to replace copper interconnects with optical interconnects. Fiber optics are advantageous for these applications because they allow for longer link lengths, increased bandwidth, smaller cables and connectors, less susceptibility to electromagnetic interference, and potentially lower power dissipation, depending on the data rate and link length. Towards this direction, this thesis aims to design and demonstrate low-cost, low-latency, high throughput, rack-to-rack optical interconnect architectures for exascale (i.e., performing 10¹⁸ floating point operations per second) high-performance computing (HPC) systems and data centers. In particular, a novel, cost-effective, optical interconnect architecture for ultrafast optical switching, based on semiconductor optical amplifiers (SOAs), is studied. The proposed design of a fast N x N all-optical, wavelength-space crossbar switch for optical interconnects uses a minimum number of ON/OFF gates. This thesis compares and proves the superiority of the proposed architecture with respect to its originally-proposed counterpart, both theoretically and experimentally. Additionally, in order to increase the capacity and to minimize the impact of transmission effects (especially self-gain modulation (SGM), cross-gain modulation (XGM), self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM), and polarization dependent gain (PDG)), we investigate the performance of conventional binary intensity modulation (IM), in conjunction with direct detection, as well as of advanced, more resilient, spectrally-efficient modulation formats (e.g., Differential Phase Shift Keying (DPSK), Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Polarization Division Multiplexed Quadrature Phase Shift Keying (PDM-QPSK), Single (SP)- and PDM- 16-ary Quadrature Amplitude Modulation (16QAM) in conjunction with coherent detection). Finally, as a separate research activity, we study the performance of point-to-point links based on vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and single- or multi-mode fibers, in conjuction with IM/DD, four-level Pulse Amplitude Modulation (4-PAM), and OFDM, to enable state-of-the-art, high-capacity, low-cost optical interconnects.

Οι απαιτήσεις των δικτύων διασύνδεσης στα υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης αυξάνονται με αλματώδη ρυθμό τόσο σε χωρητικότητα όσο και σε ρυθμούς σηματοδοσίας που πρέπει να εξυπηρετηθούν. Αυτή η αύξηση των ρυθμών σηματοδοσίας επιβάλλει την αντικατάσταση των ηλεκτρικών διακοπτών που χρησιμοποιούνται μέχρι τώρα από τους οπτικούς. Η τεχνολογία των οπτικών ινών παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα για τέτοιες εφαρμογές διότι επιτρέπει τη μετάδοση σε μεγαλύτερες αποστάσεις παρέχει ευρυζωνικότητα είναι πιο ανθεκτική στην ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή και μπορεί να είναι πιο συμφέρουσα ενεργειακά κάτι που εξαρτάται από το ρυθμό σηματοδοσίας και το μήκος της ζεύξης. Σε αυτή την κατεύθυνση αυτή η διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στο σχεδιασμό και την επίδειξη οικονομικά συμφερόντων υψηλής διεκπεραιωτικής ικανότητας οπτικών δικτύων διασύνδεσης ικριωμάτων για τα exascale (10¹⁸ Flops) υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης και τα κέντρα δεδομένων. Ειδικότερα μελετάται μια πρωτότυπη οικονομικά βελτιστοποιημένη αρχιτεκτονική ενός αμιγώς οπτικού δικτύου διασύνδεσης η οποία χρησιμοποιεί οπτικούς ημιαγωγικούς ενισχυτές για να επιτελέσει τη μεταγωγή. Αυτή η προτεινομένη οικονομικότερη εκδοχή του υπό μελέτη Ν x Ν αμιγώς οπτικού ραβδεπαφικού διακόπτη χρησιμοποιεί ένα μειωμένο αριθμό απαιτούμενων πυλών ON/OFF. Στην παρούσα διατριβή η προτεινομένη αρχιτεκτονική συγκρίνεται με την αρχικά προταθείσα και αποδεικνύεται η εξίσου καλή λειτουργία της με την πρώτη τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Επιπλέον για την αύξηση της χωρητικότητας και παράλληλα για την καταπολέμηση των φαινομένων μετάδοσης στο δίκτυο διασύνδεσης (ιδιαίτερα της αυτοδιαμόρφωσης και ετεροδιαμόρφωσης της απολαβής (SGM και XGM) της αυτοδιαμόρφωσης και ετεροδιαμόρφωσης της φάσης (SPM και ΧΡΜ) και της εξάρτησης της απολαβής από την πόλωση (PDG) μελετώνται έκτος από την τεχνική διαμόρφωσης πλάτους με άμεσης φώραση (IM/DD) διάφορες προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης όπως η διαφορική διαμόρφωση φάσης (DPSK) με άμεση φώραση η διαμόρφωση με ορθογώνια πολυπλεξία συχνότητας (OFDM) με άμεση φώραση καθώς και μελλοντικά υποψήφιες τεχνικές διαμόρφωσης για τέτοια είδους δίκτυα όπως η τετραδική διαμόρφωση φάσης με πολυπλεξία της πόλωσης (PDM QPSK) και η δεκαεξαδική διαμόρφωση φάσης και πλάτους (16QAM) χωρίς (SP) και με (PDM) πολυπλεξία της πόλωσης με σύμφωνη φώραση. Τέλος ως δεύτερη ερευνητική δραστηριότητα μελετώνται ζεύξεις σημείου προς σημείο που βασίζονται στη χρήση πομπών κάθετης κοιλότητας επιφανειακής εκπομπής (VCSELs) και πολύτροπες (MMF) η μονότροπες (SMF) ίνες σε συνδυασμό με συμβατικές τεχνικές διαμόρφωσης όπως η IM/DD και προηγμένες όπως η διαμόρφωση πλάτους τεσσάρων επίπεδων (4-PAM) και η OFDM διαμόρφωση. Η χρήση των παραπάνω τεχνολογιών επιτρέπει την αύξηση της χωρητικότητας και τη μείωση του κόστους στα τρέχοντα συστήματα οπτικής διασύνδεσης.